EP2526177B1 - Emissionsfreie vorrichtungen zur verrichtung mechanischer arbeit - Google Patents

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EP2526177B1
EP2526177B1 EP11701082.7A EP11701082A EP2526177B1 EP 2526177 B1 EP2526177 B1 EP 2526177B1 EP 11701082 A EP11701082 A EP 11701082A EP 2526177 B1 EP2526177 B1 EP 2526177B1
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EP
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oxygen
water
combustion chamber
gas
carbon dioxide
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Mikael Rüdlinger
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Priority to EP11701082.7A priority patent/EP2526177B1/de
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Priority to PL11701082T priority patent/PL2526177T3/pl
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    • F23J15/00—Arrangements of devices for treating smoke or fumes
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    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/46—Gasification of granular or pulverulent flues in suspension
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    • C10J3/485—Entrained flow gasifiers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
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    • C10J3/60—Processes
    • C10J3/64—Processes with decomposition of the distillation products
    • C10J3/66—Processes with decomposition of the distillation products by introducing them into the gasification zone
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10K—PURIFYING OR MODIFYING THE CHEMICAL COMPOSITION OF COMBUSTIBLE GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE
    • C10K1/00—Purifying combustible gases containing carbon monoxide
    • C10K1/04—Purifying combustible gases containing carbon monoxide by cooling to condense non-gaseous materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/022—Adding fuel and water emulsion, water or steam
    • F02M25/025—Adding water
    • F02M25/03—Adding water into the cylinder or the pre-combustion chamber
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0953—Gasifying agents
    • C10J2300/0969—Carbon dioxide

Definitions

  • the invention relates to devices for performing mechanical work.
  • carbon dioxide is an inevitable end product of the combustion process. It has long been known that carbon dioxide has a very negative impact on the Earth's climate balance and contributes greatly to man-made global warming. Avoiding carbon dioxide emissions is therefore very desirable.
  • Electrically powered vehicles are absolutely emission-free, at least locally.
  • the battery systems available today are still very heavy or the energy density too low, which limits the maximum range that can be achieved.
  • battery-operated vehicles are inferior to vehicles with chemical fuels in terms of recharging or refueling times.
  • fuel cell systems have been developed for the generation of electrical energy for the operation of electrically powered vehicles.
  • electrochemical electricity is generated from hydrocarbon-based fuels and atmospheric oxygen.
  • carbon dioxide results as a reaction product.
  • WO 2009/144369 A1 describes a power plant in which coal dust is burned in a furnace with an oxidizing gas mixture of oxygen (18-28%), carbon dioxide and water. A part of the hot exhaust gases is split off in order to dilute pure oxygen to the desired oxygen concentration and thus to obtain the oxidizing gas. The other part of the exhaust gas is compressed and condensed after energy recovery. Non-condensable residual gases are released into the atmosphere.
  • WO 2007/079381 A2 describes an analog system in which coal is burned with carbon dioxide and oxygen in an oven. The resulting exhaust gases are cooled and condensed, and water and liquid carbon dioxide are separated. The residual gases are released into the atmosphere.
  • WO 2004/054029 A1 describes a solid oxide fuel cell for the production of electrical current from natural gas and air. Carbon dioxide and water are separated from the anode exhaust gases, and unused fuel is returned to the fuel cell.
  • US 2003/097840 A1 describes a power plant in which fuel is burned in a furnace with oxygen-enriched gas. Part of the exhaust gas is returned to the furnace after the generation of superheated steam, the other part of the exhaust gas is treated. Condensable parts are separated. Non-condensable fractions are mixed with the oxygen-enriched air and passed into the furnace.
  • WO 2006/117824 A1 describes a process in which pyrolysis gas is generated from solid waste in a first stage and synthesis gas is produced from the remaining pyrolysis coke in a second stage. Pyrolysis gas and synthesis gas are burned together to generate hot steam for energy generation with the hot exhaust gases. Some of the hot exhaust gases are used to carry out pyrolysis.
  • US 4092825 describes an electricity power plant in which solid carbonaceous material is gasified with steam and oxygen to synthesis gas. To generate hot steam, a first part of the synthesis gas is burned with air in a boiler furnace. The thermal energy of the hot steam is converted into mechanical and / or electrical energy using a steam turbine. Condensable hydrocarbons are synthesized from a second part of the synthesis gas using Fischer-Tropsch synthesis. These are then stored as operating material and, if necessary, used to operate a gas turbine to generate mechanical and / or electrical energy.
  • the object of the invention is to provide devices for performing mechanical work which do not have the above-mentioned and other disadvantages.
  • a device should have greatly reduced emissions or no emissions at all.
  • Another object of the invention is to provide a device which allows carbon dioxide and other emissions to be collected efficiently and stored for further use, final storage or recycling.
  • Another object of the invention is to provide a device which can be operated with a closed circuit.
  • the energy required for the operation is obtained from the oxidation of carbon-containing operating materials to form an exhaust gas consisting essentially of carbon dioxide and water.
  • a device for compressing and / or condensing the exhaust gas is provided.
  • a memory is used to hold the compressed and / or condensed exhaust gas.
  • the device according to the invention is an internal combustion engine, for example a piston engine or a turbine, with at least one combustion chamber for the combustion of fuel with oxygen-enriched air or pure oxygen, with means for converting the resulting gas pressure or gas volume into mechanical work, with a first feed device for introducing Oxygen in the combustion chamber, with a second feed device for introducing water directly into the at least one combustion chamber, with an outlet device for removing the exhaust gases from the combustion chamber, a compressor for compressing the exhaust gases, and a condensation device for partial condensation of the exhaust gases, the compressor and the condensation device being arranged downstream of the outlet device.
  • an internal combustion engine for example a piston engine or a turbine, with at least one combustion chamber for the combustion of fuel with oxygen-enriched air or pure oxygen, with means for converting the resulting gas pressure or gas volume into mechanical work, with a first feed device for introducing Oxygen in the combustion chamber, with a second feed device for introducing water directly into the at least one combustion chamber, with an outlet device for removing the exhaust gases from the combustion chamber,
  • Such a device according to the invention can be operated with oxygen-enriched air, preferably with an oxygen content of> 95%, and / or with pure oxygen as the oxidizing agent.
  • a heat exchanger for cooling the exhaust gas flow can be provided before and / or after the device for compressing and / or condensing the exhaust gas.
  • Another embodiment of a device according to the invention has a device for the condensation and / or separation of water from the exhaust gas.
  • Another variant of such a device according to the invention has a feed device for introducing water into the exhaust gas stream after it has left the combustion chamber.
  • a machine according to the invention in particular a mobile or stationary machine, comprises such a device according to the invention.
  • An embodiment of a disclosed device designed as a heating device and not according to the invention, has at least one combustion chamber for the combustion of operating material with oxygen-enriched air or pure oxygen, means for transferring the thermal energy produced to a fluid heat transport medium, a supply device for introducing oxygen into the combustion chamber, and one Exit device for removing the exhaust gases from the combustion chamber.
  • a compressor for compressing the exhaust gases and / or a condensation device for partial condensation of the exhaust gases are provided downstream of the outlet device.
  • a refueling system for refueling a mobile machine or system with a device according to the invention with gaseous or liquid operating materials, has means for removing compressed gases, in particular carbon dioxide, from a memory of the mobile machine.
  • Such a refueling system advantageously also has means for refueling the mobile machine or system with oxygen or oxygen-enriched air.
  • a disclosed supply system for supplying one or more customers with gaseous and / or liquid operating materials has a first supply network for the transport of the operating materials to the customers, from one or more production plants and / or from one or more first stores.
  • a second recirculation network is used for the return transport of exhaust gases, in particular carbon dioxide, from the customers to one or more production plants and / or one or more second stores.
  • the energy required for operation is obtained from the oxidation of carbon-containing operating materials to an exhaust gas consisting essentially of carbon dioxide and water.
  • the exhaust gases generated in the oxidation reaction are compressed and / or condensed and collected in a storage device.
  • Oxygen-enriched air preferably with an oxygen content of> 95%, or pure oxygen is advantageously used as the oxidizing agent. Such a method is advantageously carried out with a device according to the invention.
  • the compressed exhaust gases are cooled before and / or after the compression and / or condensation.
  • water is condensed out and / or separated from the exhaust gases.
  • Such a method is advantageously carried out using a fuel cell or a heat engine or a heating device.
  • the operating materials are produced using a process for the thermal-chemical utilization of carbon-containing starting materials, in which the carbon-containing starting materials are pyrolyzed in a first stage, pyrolysis coke and pyrolysis gas being produced.
  • the pyrolysis coke is gasified from the first stage, whereby synthesis gas is produced, and slag and other residues remain and are removed.
  • the synthesis gas from the second stage is converted into the operating materials; excess return gas from the third stage is passed into the first stage and / or the second stage.
  • the three stages form a closed circuit.
  • At least some of the exhaust gases are used in a process for the thermal-chemical utilization of carbon-containing starting materials, in which the carbon-containing starting materials are pyrolyzed in a first stage, pyrolysis coke and pyrolysis gas being produced.
  • the pyrolysis coke from the first stage is gasified, producing synthesis gas, and slag and other residues remain and are removed.
  • the synthesis gas from the second stage is converted into the operating materials; excess return gas from the third stage is passed into the first stage and / or the second stage.
  • the three stages form a closed circuit.
  • the exhaust gases are fed into the first stage and / or the second stage and / or the third stage.
  • the exhaust gases are preferably fed into the return gas.
  • non-inventive method for supplying one or more customers who carry out a disclosed, non-inventive method for performing mechanical work and / or for generating electrical or thermal energy with gaseous and / or liquid operating materials for this method
  • the Customer supplied with a first supply network with gaseous and / or liquid operating materials from one or more production plants and / or from one or more first stores.
  • a second return network At least some of the exhaust gases produced in the drive method, in particular carbon dioxide, are returned by the customers to one or more production plants and / or to one or more second stores.
  • the drive energy for the current generator is generated using a disclosed method, not according to the invention, which has been discussed above.
  • a device 1 according to the invention for performing mechanical work and / or for generating electrical or thermal energy relates the energy required for operation from the oxidation of carbon-containing operating materials to an exhaust gas.
  • the exhaust gases generated in the oxidation reaction are compressed and / or condensed and collected in a storage device.
  • the chemical energy is used thermo-chemically or electrochemically.
  • Such devices 1 according to the invention have a closed circuit, that is to say emissions into the atmosphere arise.
  • the residues resulting from the performance of mechanical work or the generation of electrical or thermal energy, in particular carbon dioxide, are aftertreated, compressed and stored in a space-saving manner, for example in a pressure tank.
  • the stored gas mixture essentially contains only carbon dioxide and possibly also water.
  • the carbon dioxide is regularly relocated to a suitable larger storage device for further use. This return of the carbon dioxide advantageously takes place at the same time, for example, when a vehicle is refueled.
  • the stored carbon dioxide is partially or completely recycled.
  • carbon-containing starting material 27 is converted into hydrocarbons 20 and hydrocarbon derivatives in the system 6.
  • the carbon-containing starting material 27 is converted into synthesis gas mixture 65 in a first stage 61a and second stage 61b.
  • the carbon-containing substances are fed in and pyrolysed, pyrolysis coke 63 and pyrolysis gas 64 being produced.
  • the pyrolysis coke 63 is gasified from the first stage, synthesis gas mixture 65 being formed, and slag and other residues remaining.
  • hydrocarbon and other valuable materials 20 are generated from the synthesis gas mixture 65, which can be used for other purposes, for example as liquid and / or gaseous operating materials 20.
  • the return gas mixture 66 remaining after synthesis stage 62 essentially contains carbon dioxide and is passed back into the first stage as a gasifying agent. All three stages are closed pressure-tight and form an essentially closed circuit. With such a recycling plant 6, solid, liquid or gaseous substances can be efficiently converted into gaseous or liquid operating materials 20.
  • the system 6 generates thermal energy in the form of process steam (not shown).
  • the hydrocarbon-containing operating materials generated in the synthesis stage 62 are preferably temporarily stored 81, in tanks or pressure accumulators.
  • a device 1 according to the invention advantageously uses gaseous or liquid hydrocarbons and hydrocarbon derivatives 20 from the system 6 as the operating material, which are taken from the reservoir 81.
  • the thermal or electrical energy generating oxidation reaction takes place with oxygen-enriched air, preferably with an oxygen content of> 95%, or with pure oxygen 22 instead of with air.
  • the oxygen is advantageously carried in a pressure tank.
  • a device 1 according to the invention can be, for example, an internal combustion engine in which the heat generated during the oxidation reaction is converted into mechanical work in a heat engine, or a fuel cell in combination with an electric motor in which the oxidation reaction is used directly to generate electricity.
  • the use of pure oxygen 22 instead of air avoids the formation of nitrogen oxides due to the absence of atmospheric nitrogen in a thermal-chemical reaction at high temperatures. Above all, however, only carbon dioxide 24 and water vapor 23 remain in the resulting reaction products 21. Depending on the stoichiometry of the reaction, the resulting gases can also contain certain proportions of carbon monoxide and unreacted fuel. However, these can subsequently be treated analogously to carbon dioxide.
  • the reaction products 21 of the energy generating reaction are essentially gaseous.
  • the corresponding gas mixture is now compressed to reduce the volume.
  • the gas mixture 21 is cooled before and / or after the compression, as a result of which it further loses volume.
  • Water is condensed out, as a result of which the volume of the gas mixture is further reduced and only carbon dioxide 24 remains in the gas mixture, possibly with proportions of carbon monoxide and unreacted fuel.
  • the condensed water 23 is separated off.
  • the carbon dioxide 24 can be temporarily stored in a suitable reservoir, for example a pressure tank.
  • the carbon dioxide 24 is fed back to the first stage 61a of the system 6, so that a closed material cycle for the carbon dioxide results.
  • An intermediate storage 82 can be provided for the exhaust gas 24 containing carbon dioxide. It is thus possible for the above-mentioned process to produce liquid or gaseous hydrocarbons and hydrocarbon derivatives from carbon-containing substances and carbon dioxide, and for the resulting fuel mixture to then be converted into mechanical work and / or electrical or thermal energy in a device 1 according to the invention.
  • the captured and stored carbon dioxide is recycled and partially or completely converted back into fuel 20 in system 6. In this way, the effective carbon dioxide emission of a device according to the invention can be greatly reduced or even avoided entirely.
  • part of the stored carbon dioxide can also be deposited in such a way that it cannot permanently get into the atmosphere.
  • Appropriate technologies for long-term long-term storage of carbon dioxide are currently being further developed worldwide. For example, the final storage of carbon dioxide is tested by pumping it into empty oil and gas fields.
  • FIG Figure 2 A further, generalized variant of a device 1 according to the invention for carrying out the disclosed method not according to the invention is shown schematically in FIG Figure 2 shown.
  • Such an internal combustion engine 1 according to the invention can be operated without problems in combination operation with hydrogen 25 as a further operating material.
  • the proportion of hydrogen leads to a reduction in the amount of residual gas after the heat exchanger and compressor, since only water is formed in the oxidation of hydrogen with oxygen anyway.
  • water 23 can be used as an additional expansion agent in an advantageous variant of such a device according to the invention or such a method.
  • a certain amount of water is injected into the cylinder after the ignition of the combustion process, for example after the compressed fuel-air mixture has auto-ignited in a diesel engine.
  • This water which is preferably atomized, is then evaporated by the thermal energy of the exothermic oxidation reaction.
  • the resulting increase in gas pressure or gas volume due to the water vapor thus contributes to the generation of the kinetic energy, while at the same time the temperature of the total mixture of combustion exhaust gases and water vapor drops.
  • this is unproblematic or even desirable because, due to the higher energy density of a reaction with pure oxygen, significantly higher reaction temperatures arise, which improves the thermodynamic efficiency, but can also put a greater strain on the parts of a device 1 according to the invention.
  • the water can also be introduced as steam.
  • a certain proportion of liquid water can also be mixed with the liquid fuel.
  • superheated steam acts as an additional oxidizing agent in addition to oxygen.
  • a drive device 1 according to the invention in the form of a piston engine.
  • devices according to the invention configured as internal combustion engines can, however, also be configured, for example, as turbines or Wankel engines, etc.
  • the hot exhaust gases are used for the performance of mechanical work in accordance with the functional principle of the respective type of internal combustion engine, and are thereby partially relaxed.
  • the gas mixture then leaves the combustion chamber.
  • the exhaust gas mixture is expelled from the cylinder in the third stroke, and then compressed, cooled and temporarily stored.
  • FIG Figure 3 A possible embodiment of a device 1 according to the invention configured as an internal combustion engine for carrying out the disclosed method not according to the invention is shown schematically in FIG Figure 3 shown, using the example of a piston engine with a cylinder.
  • the illustrated internal combustion engine 1 has a cylinder 111 and a piston 112 movably arranged therein, which together form a closed combustion chamber 11.
  • Oxygen 22 is introduced into expanding combustion chamber 11 in a first cycle using a feed device 16, which is only shown schematically.
  • the oxygen 22 is then compressed in a second cycle, and at the end of the second cycle, the fuel 20 is introduced into the combustion chamber 11 and burned using a supply device 18.
  • the expanding exhaust gases 21 perform mechanical work
  • the fourth cycle the partially relaxed exhaust gases 21 are discharged from the combustion chamber 11 by an outlet device 12, which is not shown in detail.
  • the condensation stage 13 before the compression 14 reduces the undesirable formation of condensation water droplets in the compressor 14.
  • the illustrated internal combustion engine 1 according to the invention has no emissions. Since the device is not operated with air or similar mixtures, no air-specific pollutants such as nitrogen oxides can arise. The water generated during the combustion is unproblematic and can be separated. The carbon dioxide and other residual gases are collected in the store 15 and stored for further use. Unburned parts of the fuel either condense out together with the water and are separated off, or are compressed together with the carbon dioxide.
  • the operating materials for a device according to the invention may also contain sulfur and phosphorus in addition to the basic building blocks C, H, O.
  • the sulfur can react with the combustion to sulfur dioxide and sulfur trioxide, which in turn reacts with the water to form sulfuric acid and sulfuric acid.
  • sulfur dioxide and sulfur trioxide reacts with the water to form sulfuric acid and sulfuric acid.
  • These corrosive pollutants can be condensed out together with the water, separated and disposed of. The same applies to phosphorus-containing pollutants and any fine dust particles that may arise.
  • FIG Figure 4 A further possible embodiment of a device 1 according to the invention configured as an internal combustion engine for carrying out the disclosed method not according to the invention is shown schematically in FIG Figure 4 shown.
  • water is introduced into the combustion chamber 11 by a feed device 17, which is only shown schematically. This is preferably done in such a way that a specific one occurs during or after the combustion reaction Amount of water 23, liquid or vapor, is injected into the combustion chamber and finely distributed. This water is heated by the heat of combustion, as a result of which the total gas volume in the combustion chamber 11 increases, and thus also the gas pressure or gas volume available for the performance of the mechanical work. Accordingly, the amount of fuel can be reduced while maintaining the same performance.
  • water can also be introduced into the exhaust gas stream 21 when it has left the combustion chamber 11.
  • water can also be introduced into the exhaust gas stream 21 when it has left the combustion chamber 11.
  • the amount of water and the time of injection are coordinated with the supply of fuel 21 and oxygen 22 so that the combustion reaction can take place efficiently.
  • the resulting temperature during the oxidation reaction is advantageously essentially such that the thermodynamic efficiency of the heat engine is as high as possible.
  • the exhaust gases 21 are first compressed in a compressor 14 before they are subsequently cooled in the heat exchanger 13.
  • the water 23 remains in the gas mixture 21 and collects in liquid form in the pressure vessel 15. During the regular emptying of the carbon dioxide 24, the water 23 can then also be drained off at the same time.
  • the Figure 4 shown variant is also from the internal combustion engine 1 without water injection Figure 3 can be combined, and vice versa, and can generally be used for a device 1 according to the invention.
  • the energy necessary for the operation of the compressor of a device 1 according to the invention is advantageously generated by the device itself.
  • the achievable efficiency of the device drops.
  • the emission-free nature of the device according to the invention and the disclosed method not according to the invention is achieved at the same time.
  • the achievable power is greater with the same motor dimensions, which compensates for the loss of power.
  • the compressor can, for example, be operated directly with the crankshaft of a piston internal combustion engine via a suitable transmission. If the device 1 according to the invention is designed as a turbine, the compressor can sit directly on the same shaft. The exhaust gases can then be condensed directly after the expansion process and the remaining stream can be compressed.
  • the exhaust gases within the combustion chamber are already pre-compressed in the third cycle and then discharged through the outlet device 12. If necessary, the downstream compressor 14 can also be omitted.
  • Such an embodiment is also possible as a two-stroke variant, because the new loading of the combustion chamber with the reaction mixture (fuel 20, oxygen 22, water 23) can take place very quickly in a device according to the invention.
  • the exhaust gases are pre-compressed and released from the combustion chamber towards the end of the stroke.
  • the gaseous oxygen can be blown into the combustion chamber under high pressure at the end of the upward stroke, since comparatively little oxygen is required for a complete combustion reaction, and water is available as an additional expansion agent.
  • the liquid fuel 20 and the water 23 as expansion medium can be injected into the combustion chamber very quickly and under high pressure.
  • the energy consumption for the compressor can be optimized by a suitable combination with one or more heat exchangers or cooling elements, in which the gas volume can be reduced by releasing thermal energy of the reaction gases to an internal or external heat sink.
  • a device 1 according to the invention is also possible to implement a device 1 according to the invention as a heat engine with external combustion, for example as a steam engine or steam turbine or as a Sterling engine.
  • FIG 4A shows another advantageous embodiment of a drive device 1 according to the invention, which is designed as a combined gas / steam turbine.
  • a drive device is particularly suitable for ships or power plants.
  • a combustion chamber 710 upstream of the turbine fuel 20 is burned with oxygen 22 in a burner 714, forming a very hot exhaust gas.
  • Water 23 ′ is introduced into the combustion chamber 710, preferably as superheated liquid water with a temperature of, for example, 250 ° C. and a pressure of 50 bar.
  • the resulting water vapor mixes with the combustion exhaust gases, so that a hot (eg 600 ° C.) exhaust gas 21 ′ is formed with a high proportion of superheated water vapor.
  • the exhaust gases mentioned emerge from the combustion chamber 710 and are converted into mechanical work 78 in a subsequent turbine device 719, which in turn drives an electrical generator device 74.
  • the gas mixture in the combustion chamber behaves isochorically, so that the gas pressure rises, or isobarically, so that the gas volume rises accordingly, or both the volume and the pressure rise.
  • the subsequent turbine device 719 must also be designed accordingly. Suitable turbines 719 are known from the prior art and usually have several stages. In an alternative variant, after a high pressure stage of the turbine device 719, partially released process steam 77 can be drawn off and used in another way.
  • the relaxed exhaust gas 21 is passed into a condenser / economizer 73, where the water 23 is condensed and separated.
  • the remaining residual gas 24, which essentially contains carbon dioxide, is compressed in a compressor 72. It is then either temporarily stored in a gas storage device 15 , or conveyed directly into the first stage of a recycling plant 6.
  • the compressor 72 is advantageously driven directly via the turbine 719.
  • the water 23 ' can also be mixed with the exhaust gas flow 21' only after the combustion chamber 710, for example by means of a Venturi nozzle.
  • the amount of water 23 'and the amount of fuel mixture 20, 22 and the further selectable parameters are advantageously matched to one another in such a way that the subsequent turbine achieves the highest possible energy utilization.
  • the proportion of water in the exhaust gas mixture 21 ' should be as high as possible.
  • the highest possible pressure drop of the gas mixture on the condenser 73 is achieved. This increases the total pressure differential across turbine 719, and thus its efficiency.
  • less residual gas 24 remains, which must be compressed 72 and stored 15.
  • Another advantage of introducing water vapor into the combustion chamber is the cooling effect of the steam.
  • the exothermic oxidation of the very high-energy fuel mixture can lead to very high temperatures, up to 1000 ° C or even 2000 ° C. Such temperatures would place a great strain on the structures of the combustion chamber 710 and the subsequent turbine device 719.
  • the comparatively cold water vapor is preferably introduced into the chamber in such a way that it shields the walls of the combustion chamber 710 from the very hot flame 715.
  • the steam finally cools the entire gas mixture to 600 ° C to 800 ° C, which lowers the thermal load on the turbine blades and increases their service life.
  • the drive device 1 shown also differs from a conventional gas turbine in that no compressor is connected upstream of the combustion chamber.
  • the turbine device 719 can be designed like a steam turbine since the temperature and pressure ranges of the exhaust gas 21 ′ are essentially the same.
  • FIG Figure 5 A vehicle 3 driven by a device 1 according to the invention is shown in FIG Figure 5 shown schematically, as an example of a mobile machine 3 according to the invention.
  • a device 1 according to the invention designed as an internal combustion engine is either used directly as a drive unit or, alternatively, is operated constantly at an ideal speed range, with a generator generating electricity for an electric drive unit. If the device 1 according to the invention is designed as a fuel cell system, an electric motor also serves as the drive unit.
  • the vehicle 3 has a tank 31 for the liquid or gaseous fuel 20 and a pressure tank 32 for the oxygen 22.
  • the gas storage for the carbon dioxide is advantageously designed as a pressure tank.
  • a device 1 according to the invention is particularly suitable for less weight-sensitive vehicles, such as land and water vehicles, in particular vehicles in city traffic or ships and larger boats.
  • the pressure tank 32 merely serves as an intermediate store and can be designed to be correspondingly smaller.
  • FIG. 5 a possible embodiment of a closed circuit for the supply of fuel for such a vehicle 3 according to the invention is shown.
  • the vehicle 3 is loaded with liquid or gaseous fuel 20 on a refueling system 41 that is set up accordingly, and with compressed oxygen 22 24 discharged into a corresponding gas storage of the refueling system 41.
  • the thermal energy generated in the oxidation reaction is not converted into mechanical work, but is used to heat a fluid heat transport medium.
  • the device is used to generate thermal energy.
  • Water, oil, air or steam, for example, can be used as the heat transport medium that serves to transport the generated thermal energy.
  • the energy-generating oxidation reaction takes place in a suitably designed combustion chamber which is equipped with means for heating the transport medium, for example a heat exchanger. These means also serve to cool the exhaust gas stream that is produced.
  • the heated heat transfer medium can then be used in industrial plants or for heating buildings.
  • a district heating center or a combined heat and power plant can be equipped with such a device according to the invention.
  • the fueling system 41 forms with a fuel production system 6, as described in international application no. PCT / EP2010 / 067847 ( WO 2011/061299 A2 ) of the applicant is disclosed, a closed circuit.
  • the system 6 produces 27 liquid or gaseous hydrocarbon fuels 20 from carbon-containing starting materials. These are transported to the refueling system 41 by suitable means.
  • the carbon dioxide 24, in turn, possibly with proportions of carbon monoxide and unreacted fuel that has been discharged from the vehicle 3 into the refueling system 41, is transported to the system 6 by suitable means, where it is fed into the closed circuit of the system 6.
  • a refueling system 41 is particularly suitable, for example, for public bus companies in a city. As a rule, their buses are refueled exclusively in the company's own refueling facilities. With a comparatively small number of refueling systems 41 to be converted, many vehicles 3 can thus be reached. This leads to lower investment costs in a corresponding overall system.
  • the return of the carbon dioxide and / or the supply of fuel can also take place via a suitable supply network 5.
  • the customers are provided with a first supply network with gaseous and / or liquid operating materials from one or more production plants and / or from one or more first stores.
  • a second recirculation network at least some of the exhaust gases, in particular carbon dioxide, produced in the drive method are returned by the customers to one or more production plants and / or to one or more second stores.
  • FIG. 6 shows a possible embodiment of such a supply network for carrying out a disclosed supply method not in accordance with the invention.
  • the system has two ring-shaped networks.
  • a first supply network 51 from a production plant 6 fed with a closed circuit gaseous or liquid fuel 20.
  • Various refueling systems 41 obtain the gaseous fuels from this network 51.
  • a first buffer store 81 and a power plant 43 are also connected to the network 51, in which a device according to the invention, such as in FIG Figure 4A shown a power generator is operated.
  • a second recycle network 52 is available, in which the refueling systems 41 and the power plant 43 feed the carbon dioxide 24 that is produced. This in turn is conveyed back into the production plant 6.
  • a second buffer 82 serves to increase the capacity of the second network.
  • a repository 44 for carbon dioxide is also provided in the variant shown. Carbon dioxide can be branched off from the second network and pumped under pressure into an exhausted oil storage facility, where it then remains permanently.
  • a fuel tank 31 and / or gas storage 15 for the carbon dioxide can be dispensed with entirely, since the fixed line system takes over this function. This is the case, for example, with the electricity production system 43 in Figure 6 the case.

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Verrichtung mechanischer Arbeit.
    • Stand der Technik
  • Im Zuge der laufend zunehmenden Mobilität und der damit einher gehenden Umweltbelastung besteht seit längerem Bedarf an Antriebsvorrichtungen, insbesondere Verbrennungsmotoren, mit verringertem Ausstoss von Schadstoffen wie beispielsweise Stickoxiden, Kohlenmonoxid und flüchtigen organischen Verbindungen. Zu diesem Zweck wurden zum einen Anstrengungen unternommen, die Abgase von Schadstoffen zu reinigen, beispielsweise mit Filtern und Katalysatoren, und zum anderen die Bildung dieser Schadstoffe zu reduzieren.
  • Bei Verwendung kohlenwasserstoffbasierter Treibstoffe wie beispielsweise Benzin, Diesel oder Erdgas ist Kohlendioxid ein unvermeidliches Endprodukt des Verbrennungsvorgangs. Schon länger ist nun bekannt, dass Kohlendioxid sehr negative Auswirkungen auf das Klimagleichgewicht der Erde hat und stark zur menschengemachten Klimaerwärmung beiträgt. Die Vermeidung von Kohlendioxidemissionen ist daher sehr wünschenswert.
  • In der Regel ist ein Herausfiltern von Kohlendioxid aus Verbrennungsabgasen mit vernünftigem energetischem Aufwand nur schwer möglich. Für den grossindustriellen Massstab werden Systeme getestet, in welchen das Kohlendioxid beispielsweise in aminbasierten Lösungsmitteln aufgefangen wird. Solche Systeme sind jedoch aufwendig und kompliziert, und für kleinere Anlagen nicht praktikabel. Zur Verringerung der Kohlendioxidemissionen werden weiter Verbrennungsmotoren mit geringerem Treibstoffverbrauch und damit auch geringerem Kohlendioxidausstoss entwickelt, oder es werden kohlendioxidneutrale biomassenbasierte Treibstoffe verwendet.
  • Elektrisch betriebene Fahrzeuge sind zumindest lokal absolut emissionsfrei. Jedoch sind die heute zur Verfügung stehenden Akkumulatorsysteme immer noch sehr schwer, beziehungsweise die Energiedichte zu gering, was die erreichbare maximale Reichweite beschränkt. Zudem sind batteriebetrieben Fahrzeuge mit Bezug auf die Wiederaufladzeit bzw. Betankzeit weiterhin Fahrzeugen mit chemischen Treibstoffen unterlegen.
  • Alternativ wurden zur Gewinnung von elektrischer Energie zum Betrieb elektrisch angetriebener Fahrzeuge Brennstoffzellensysteme entwickelt. In diesen Brennstoffzellensystemen wird aus kohlenwasserstoffbasierten Treibstoffen und Luftsauerstoff elektrochemisch Strom erzeugt wird. Auch hier jedoch resultiert als Reaktionsprodukt Kohlendioxid.
  • Mit der Verwendung von Wasserstoff als Treibstoff für Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen kann die Emission von Kohlendioxid vermieden werden. Wasserstoff weist jedoch eine geringere Energiedichte auf als kohlenstoffbasierte flüssige Treibstoffe, und stellt auch bei der Produktion und der Lagerung spezielle Probleme.
  • Für Verbrennungskraftmaschinen gibt es im Stand der Technik eine Vielzahl von seit Jahren etablierten Technologien. Anstatt völlig neue Technologien entwickeln zu müssen, wäre es wünschenswert, diese bestehenden Technologien so modifizieren zu können, dass der Ausstoss von Kohlendioxid reduziert oder vermieden wird.
  • WO 2009/144369 A1 beschreibt ein Kraftwerk, bei welchem Kohlestaub in einem Ofen mit einem Oxidationsgas-Gemisch aus Sauerstoff (18-28%), Kohlendioxid und Wasser verbrannt wird. Von den heissen Abgasen wird ein Teil abgespalten, um damit reinen Sauerstoff auf die gewünschte Sauerstoff-Konzentration zu verdünnen und so das Oxidationsgas zu erhalten. Der andere Teil des Abgases wird nach der energetischen Verwertung komprimiert und kondensiert. Nicht kondensierbare Restgase werden in die Atmosphäre abgegeben.
  • WO 2007/079381 A2 beschreibt eine analoge Anlage, bei welcher Kohle mit Kohlendioxid und Sauerstoff in einem Ofen verbrannt. Die entstehenden Abgase werden gekühlt und kondensiert, und es wird Wasser und flüssiges Kohlendioxid abgetrennt. Die Restgase werden in die Atmosphäre entlassen.
  • WO 2004/054029 A1 beschreibt eine Festkörperoxid-Brennstoffzelle zur Gewinnung von elektrischem Strom aus Erdgas und Luft. Aus den Anoden-Abgasen werden Kohlendioxid und Wasser abgetrennt, und unverbrauchter Betriebsstoff wird wieder in die Brennstoffzelle geleitet.
  • US 2003/097840 A1 beschreibt ein Kraftwerk, bei welchem Brennstoff mit sauerstoffangereichertem Gas in einem Ofen verbrannt wird. Ein Teil des Abgases wird nach der Erzeugung von überhitztem Dampf zurück in den Ofen geleitet, der andere Teil des Abgases wird aufbereitet. Kondensierbare Anteile werden abgetrennt. Nicht-kondensierbare Anteile werden mit der sauerstoffangereicherten Luft gemischt und in den Ofen geleitet.
  • WO 2006/117824 A1 beschreibt ein Verfahren, bei welchem aus festen Abfällen in einer ersten Stufe Pyrolyse-Gas und in einer zweiten Stufe aus dem verbleibenden PyrolyseKoks Synthesegas erzeugt wird. Pyrolyse-Gas und Synthesegas werden zusammen verbrannt, um mit den heissen Abgasen Heissdampf zur Energiegewinnung zu erzeugen. Ein Teil der heissen Abgase wird dazu verwendet, die Pyrolyse zu betreiben.
  • US 4092825 beschreibt ein Elektrizitätskraftwerk, in welchem festes kohlenstoffhaltiges Material mit Wasserdampf und Sauerstoff zu Synthesegas vergast wird. Zur Erzeugung von Heissdampf wird in einem Boiler-Ofen ein erster Teil des Synthesegases mit Luft verbrannt. Die thermische Energie des Heissdampfs wird mit einer Dampfturbine in mechanische und/oder elektrische Energie umgewandelt. Aus einem zweiten Teil des Synthesegases werden mittels Fischer-Tropsch-Synthese kondensierbare Kohlenwasserstoffe synthetisiert. Diese werden anschliessend als Betriebsstoff gespeichert, und bei Bedarf zum Betrieb einer Gasturbine zur Erzeugung mechanischer und/oder elektrischer Energie verwendet.
    • Aufgabe der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, Vorrichtungen zur Verrichtung mechanischer Arbeit zur Verfügung zu stellen, welche die oben erwähnten und andere Nachteile nicht aufweisen. Insbesondere soll eine solche Vorrichtung stark reduzierte Emissionen oder gar keine Emissionen aufweisen.
  • Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche es erlaubt, anfallendes Kohlendioxid und andere Emissionen effizient aufzufangen und für eine weitere Verwendung, eine Endlagerung oder eine Wiederverwertung zu speichern.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche mit einem geschlossenen Kreislauf betrieben werden können.
  • Diese und weitere Aufgaben werden gelöst durch eine erfindungsgemässe Vorrichtung, Geräte, Maschinen und Anlagen, die mit solchen Vorrichtungen betrieben werden, insbesondere mobile und stationäre Maschinen und Anlagen, gemäss den unabhängigen Ansprüchen. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen gegeben.
    • Darstellung der Erfindung
  • Bei einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Verrichtung mechanischer Arbeit wird die zum Betrieb notwendige Energie aus der Oxidation von kohlenstoffhaltigen Betriebsstoffen zu einem Abgas im wesentlichen bestehend aus Kohlendioxid und Wasser bezogen. Eine Vorrichtung zur Verdichtung und/oder Kondensation des Abgases ist vorgesehen. Ein Speicher dient zur Aufnahme des verdichteten und/oder kondensierten Abgases.
  • Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist eine Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise ein Kolbenmotor oder eine Turbine, mit mindestens einer Brennkammer zur Verbrennung von Betriebsstoff mit sauerstoffangereicherter Luft oder reinem Sauerstoff, mit Mitteln zur Umsetzung des entstehenden Gasdrucks bzw. Gasvolumens in mechanische Arbeit, mit einer ersten Zufuhrvorrichtung zum Einbringen von Sauerstoff in die Brennkammer, mit einer zweiten Zufuhrvorrichtung zum Einbringen von Wasser direkt in die mindestens eine Verbrennungskammer, mit einer Austrittsvorrichtung zur Entfernung der Abgase aus der Brennkammer, einem Verdichter zur Verdichtung der Abgase, und einer Kondensationsvorrichtung zur teilweisen Kondensation der Abgase, wobei der Verdichter und die Kondensationsvorrichtung stromabwärts zur Austrittsvorrichtung angeordnet sind.
  • Eine solche erfindungsgemässe Vorrichtung ist mit sauerstoffangereicherter Luft, vorzugsweise mit einem Sauerstoffanteil von > 95%, und/oder mit reinem Sauerstoff als Oxidationsmittel betreibbar.
  • Vor und/oder nach der Vorrichtung zur Verdichtung und/oder Kondensation des Abgases kann ein Wärmetauscher zur Abkühlung des Abgasstromes vorgesehen sein.
  • Eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung weist eine Vorrichtung zur Kondensation und/oder Abscheidung von Wasser aus dem Abgas auf.
  • Eine weitere Variante einer solchen erfindungsgemässen Vorrichtung weist eine Zufuhrvorrichtung zum Einbringen von Wasser in den Abgasstrom nach dem Austritt aus der Brennkammer auf.
  • Eine erfindungsgemässe Maschine, insbesondere eine mobile oder stationäre Maschine, umfasst eine solche erfindungsgemässe Vorrichtung.
  • Eine als Heizvorrichtung ausgestaltete, nicht erfindungsgemässe Ausführungsform einer offenbarten Vorrichtung weist mindestens eine Brennkammer zur Verbrennung von Betriebsstoff mit sauerstoffangereicherter Luft oder reinem Sauerstoff, Mittel zur Übertragung der entstehenden thermischen Energie auf ein fluides Wärmetransportmedium, eine Zufuhrvorrichtung zum Einbringen von Sauerstoff in die Brennkammer, und eine Austrittsvorrichtung zur Entfernung der Abgase aus der Brennkammer auf. Stromabwärts von der Austrittsvorrichtung sind ein Verdichter zur Verdichtung der Abgase und/oder eine Kondensationsvorrichtung zur teilweisen Kondensation der Abgase vorgesehen.
  • Eine offenbarte, nicht erfindungsgemässe Betankungsanlage zur Betankung einer mobilen Maschine oder Anlage mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung mit gasförmigen oder flüssigen Betriebsstoffen weist Mittel zur Entnahme von verdichteten Gasen, insbesondere Kohlendioxid, aus einem Speicher der mobilen Maschine auf.
  • Vorteilhaft weist eine solche Betankungsanlage auch Mittel auf zum Betanken der mobilen Maschine oder Anlage mit Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft.
  • Ein offenbartes, nicht erfindungsgemässes Versorgungssystem zur Versorgung eines oder mehrerer Abnehmer mit gasförmigen und/oder flüssigen Betriebsstoffen weist ein erstes Versorgungsnetz auf für den Transport der Betriebsstoffe zu den Abnehmern, von einer oder mehreren Produktionsanlagen und/oder von einem oder mehreren ersten Speichern. Ein zweites Rückführungsnetz dient dem Rücktransport von Abgasen, insbesondere Kohlendioxid, von den Abnehmern zu einer oder mehreren Produktionsanlagen und/oder einem oder mehreren zweiten Speichern.
  • Bei einem solchen Verfahren zur Verrichtung mechanischer Arbeit und/oder zur Erzeugung von elektrischer oder thermischer Energie wird die zum Betrieb notwendige Energie aus der Oxidation von kohlenstoffhaltigen Betriebsstoffen zu einem Abgas im wesentlichen bestehend aus Kohlendioxid und Wasser bezogen. Die bei der Oxidationsreaktion entstehenden Abgase werden verdichtet und/oder kondensiert und in einem Speicher aufgefangen.
  • Vorteilhaft wird als Oxidationsmittel sauerstoffangereicherte Luft, vorzugsweise mit einem Sauerstoffanteil von > 95%, oder reiner Sauerstoff verwendet. Ein solches Verfahren wird vorteilhaft mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung durchgeführt.
  • Bei einer Ausführungsvariante eines solchen Verfahrens werden die verdichteten Abgase vor und/oder nach der Verdichtung und/oder Kondensation abgekühlt.
  • Bei einer anderen Variante eines solchen Verfahrens wird aus den Abgasen Wasser auskondensiert und/oder abgeschieden.
  • Vorteilhaft wird ein solches Verfahren mit einer Brennstoffzelle oder einer Wärmekraftmaschine oder einer Heizvorrichtung durchgeführt.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante eines solchen Verfahrens werden die Betriebsstoffe mit einem Verfahren zur thermisch-chemischen Verwertung von kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffen hergestellt, bei welchem in einer ersten Stufe die kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffe pyrolysiert werden, wobei Pyrolysekoks und Pyrolysegas entstehen. In einer zweiten Stufe wird der Pyrolysekoks aus der ersten Stufe vergast, wobei Synthesegas entsteht, und Schlacke und andere Reststoffe übrig bleiben und abgeführt werden. In einer dritten Stufe wird das Synthesegas aus der zweiten Stufe in die Betriebsstoffe umgewandelt wird; wobei überschüssiges Rücklaufgas aus der dritten Stufe in die erste Stufe und/oder die zweite Stufe geleitet wird Die drei Stufen bilden einen geschlossenen Kreislauf.
  • In der internationalen Anmeldung Nr. PCT/EP2010/067847 ( WO 2011/061299 A2 ) des Anmelders vom 19. November 2010 mit dem Titel "Verfahren und Anlage zur thermisch-chemischen Verarbeitung und Verwertung von kohlenstoffhaltigen Substanzen" sind ein Verfahren und eine Anlage zur thermisch-chemischen Verarbeitung und Verwertung von kohlenstoffhaltigen Substanzen offenbart.
  • Bei noch einer weiteren vorteilhaften Variante eines solchen Verfahrens wird mindestens ein Teil der Abgase in einem Verfahren zur thermisch-chemischen Verwertung von kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffen verwertet bei welchem in einer ersten Stufe die kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffe pyrolysiert werden, wobei Pyrolysekoks und Pyrolysegas entstehen. In einer zweiten Stufe wird der Pyrolysekoks aus der ersten Stufe vergast, wobei Synthesegas entsteht, und Schlacke und andere Reststoffe übrig bleiben und abgeführt werden. In einer dritten Stufe wird das Synthesegas aus der zweiten Stufe in die Betriebsstoffe umgewandelt wird; wobei überschüssiges Rücklaufgas aus der dritten Stufe in die erste Stufe und/oder die zweite Stufe geleitet wird Die drei Stufen bilden einen geschlossenen Kreislauf. Die Abgase werden in die erste Stufe und/oder die zweite Stufe und/oder die dritte Stufe eingespeist.
  • Vorzugsweise werden die Abgase in das Rücklaufgas eingespeist.
  • Bei einem offenbarten, nicht erfindungsgemässen Verfahren zur Versorgung eines oder mehrerer Abnehmer, welche ein offenbartes, nicht erfindungsgemässes Verfahren zur Verrichtung mechanischer Arbeit und/oder zur Erzeugung von elektrischer oder thermischer Energie durchführen, mit gasförmigen und/oder flüssigen Betriebsstoffen für dieses Verfahren, werden die Abnehmer mit einem ersten Versorgungsnetz mit gasförmigen und/oder flüssigen Betriebsstoffen aus einer oder mehreren Produktionsanlagen und/oder aus einem oder mehreren ersten Speichern versorgt. Mit einem zweiten Rückführungsnetz werden mindestens ein Teil der beim Antriebsverfahren anfallenden Abgase, insbesondere Kohlendioxid, von den Abnehmern zu einer oder mehreren Produktionsanlagen und/oder zu einem oder mehreren zweiten Speichern zurückgeführt.
  • Bei einem offenbarten, nicht erfindungsgemässen Verfahren zur Produktion von elektrischem Strom wird die Antriebsenergie für den Stromgenerator mit einem oben stehen diskutierten offenbarten, nicht erfindungsgemässen Verfahren erzeugt.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnungen Bezug genommen. Diese zeigen lediglich Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstands.
    • Figur 1
    zeigt schematisch eine erfindungsgemässe Vorrichtung in Kombination mit einer Anlage zur thermisch-chemischen Verwertung von kohlenstoffhaltigen Substanzen, wobei sich ein im Wesentlichen geschlossener Stoffkreislauf ergibt.
    Figur 2
    zeigt schematisch eine Variante einer erfindungsgemässen Vorrichtung.
    Figur 3
    zeigt schematisch eine Ausführungsform einer als Verbrennungskraftmaschine ausgestalteten erfindungsgemässen Vorrichtung.
    Figur 4
    zeigt schematisch eine andere Ausführungsform einer als Verbrennungskraftmaschine ausgestalteten erfindungsgemässen Vorrichtung.
    Figur 4A
    zeigt schematisch eine als kombinierte Gas-/Dampfturbine ausgestaltete erfindungsgemässe Vorrichtung.
    Figur 5
    zeigt schematisch eine erfindungsgemässe Vorrichtung in einem Fahrzeug, sowie eine mögliche Ausgestaltung eines geschlossenen Kreislaufs für die Treibstoffversorgung eines solchen Fahrzeugs mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung, in Verbindung mit einem Rückführungssystem für Kohlendioxid.
    Figur 6
    zeigt schematisch eine mögliche Ausgestaltung eines Versorgungsnetzes für gasförmige Treibstoffe in Verbindung mit einem Rückführungssystem für Kohlendioxid, zur Durchführung des offenbarten, nicht erfindungsgemässen Versorgungsverfahrens.
    Ausführung der Erfindung
  • Die im Folgenden gegebenen Beispiele werden zur besseren Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung gegeben, sind jedoch nicht dazu geeignet, die Erfindung auf die hierin offenbarten Merkmale zu beschränken.
  • Wie bereits erläutert wird bei einem offenbarten, nicht erfindungsgemässen Verfahren und. einer erfindungsgemässen Vorrichtung 1 zur Verrichtung mechanischer Arbeit und/oder zur Erzeugung von elektrischer oder thermischer Energie die zum Betrieb notwendige Energie aus der Oxidation von kohlenstoffhaltigen Betriebsstoffen zu einem Abgas bezogen. Die bei der Oxidationsreaktion entstehenden Abgase werden verdichtet und/oder kondensiert und in einem Speicher aufgefangen. Die Verwertung der chemischen Energie erfolgt thermisch-chemisch oder elektrochemisch. Solche erfindungsgemässe Vorrichtungen 1 weisen einen geschlossenen Kreislauf auf, das heisst, es entstehen Emissionen in die Atmosphäre.
  • Die bei der Leistung mechanischer Arbeit oder Erzeugung elektrischer oder thermischer Energie anfallenden Reststoffe wie insbesondere Kohlendioxid werden nachbehandelt, verdichtet und platzsparend gespeichert, beispielsweise in einem Drucktank. Das gespeicherte Gasgemisch enthält im Wesentlichen nur Kohlendioxid und gegebenenfalls noch Wasser. Das Kohlendioxid wird regelmässig in eine geeignete grössere Speichervorrichtung zur weiteren Verwertung umgelagert wird. Vorteilhaft erfolgt diese Rückführung des Kohlendioxids zeitgleich beispielsweise mit dem Betanken eines Fahrzeugs.
  • In einer vorteilhaften Variante einer erfindungsgemässen Vorrichtung und eines offenbarten, nicht erfindungsgemässen Verfahrens wird das gespeicherte Kohlendioxid teilweise oder vollständig wiederverwertet.
  • In der internationalen Anmeldung Nr. PCT/EP2010/067847 ( WO 2011/061299 A2 ) des Anmelders sind ein Verfahren und eine Anlage 6 zur thermisch-chemischen Verarbeitung und Verwertung von kohlenstoffhaltigen Substanzen offenbart. In Figur 1 ist eine solche Anlage 6 schematisch und stark vereinfacht dargestellt.
  • In einem im Wesentlichen geschlossenen Kreislauf wird in der Anlage 6 kohlenstoffhaltiges Ausgangsmaterial 27 in Kohlenwasserstoffe 20 und Kohlenwasserstoffderivate umgewandelt. Dazu wird einer ersten Stufe 61a und zweiten Stufe 61b das kohlenstoffhaltige Ausgangsmaterial 27 in Synthesegasgemisch 65 umgewandelt. In der ersten Stufe 61a die kohlenstoffhaltigen Substanzen zugeführt und pyrolysiert, wobei Pyrolysekoks 63 und Pyrolysegas 64 entstehen. In einer zweiten Stufe 61b wird der Pyrolysekoks 63 aus der ersten Stufe vergast, wobei Synthesegasgemisch 65 entsteht, und Schlacke und andere Reststoffe übrig bleiben. In einer dritten Stufe 62 werden aus dem Synthesegasgemisch 65 Kohlenwasserstoffe und andere Wertstoffe 20 erzeugt, die anderweitig verwendet werden können, beispielsweise als flüssige und/oder gasförmige Betriebsstoffe 20. Das nach der Synthesestufe 62 verbleibende Rücklaufgasgemisch 66 enthält im Wesentlichen Kohlendioxid, und wird als Vergasungsmittel wieder in die erste Stufe geleitet. Alle drei Stufen sind druckfest geschlossen und bilden einen im Wesentlichen geschlossenen Kreislauf. Mit eine solchen Verwertungs-Anlage 6 können feste, flüssige oder gasförmige Substanzen effizient in gasförmige oder flüssige Betriebsstoffe 20 umgewandelt werden. Zusätzlich erzeugt die Anlage 6 thermische Energie in Form von Prozessdampf (nicht dargestellt). Die in der Synthese-Stufe 62 erzeugten kohlenwasserstoffhaltigen Betriebsstoffe werden vorzugsweise zwischengelagert 81, in Tanks oder Druckspeichern.
  • Eine erfindungsgemässe Vorrichtung 1 verwendet als Betriebstoff vorteilhaft gasförmige oder flüssige Kohlenwasserstoffe und Kohlenwasserstoffderivate 20 aus der Anlage 6, die dem Speicher 81 entnommen werden. Die thermische oder elektrische Energie erzeugende Oxidationsreaktion erfolgt dabei mit sauerstoffangereicherter Luft, vorzugsweise mit einem Sauerstoffanteil von > 95%, oder mit reinem Sauerstoff 22, anstatt mit Luft. Der Sauerstoff wird vorteilhaft in einem Drucktank mitgeführt. Eine erfindungsgemässe Vorrichtung 1 kann beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine sein, in welcher die bei der Oxidationsreaktion anfallende Wärme in einer Wärmekraftmaschine in mechanische Arbeit umgewandelt wird, oder eine Brennstoffzelle in Kombination mit einem Elektromotor, in welcher die Oxidationsreaktion direkt zur Stromerzeugung genutzt wird.
  • Die Verwendung von reinem Sauerstoff 22 anstatt Luft vermeidet zum einen aufgrund der Abwesenheit des Luftstickstoffs bei einer thermisch-chemischen Reaktion bei hohen Temperaturen die Bildung von Stickoxiden. Vor allem aber verbleiben in den anfallenden Reaktionsprodukten 21 im Wesentlichen nur Kohlendioxid 24 und Wasserdampf 23. Je nach Stöchiometrie der Reaktion können die anfallenden Gase auch gewisse Anteile an Kohlenmonoxid und unreagiertem Betriebsstoff enthalten. Diese können jedoch nachfolgend analog zum Kohlendioxid nachbehandelt werden.
  • Die Reaktionsprodukte 21 der Energie erzeugenden Reaktion sind im Wesentlichen gasförmig. Das entsprechende Gasgemisch wird nun verdichtet, um das Volumen zu reduzieren. Mit Hilfe eines Wärmetauschers wird vor und/oder nach der Verdichtung geleitet das Gasgemisch 21 abgekühlt, wodurch es entsprechend weiter an Volumen verliert. Wasser wird dabei auskondensiert, wodurch sich das Volumen des Gasgemisches nochmals weiter reduziert und im Gasgemisch nur Kohlendioxid 24 verbleibt, gegebenenfalls mit Anteilen an Kohlenmonoxid und unreagiertem Betriebsstoff. Das kondensierte Wasser 23 wird abgetrennt. Das Kohlendioxid 24 kann in einem geeigneten Reservoir zwischengespeichert werden, beispielsweise einem Drucktank.
  • In regelmässigen Abständen wird das Kohlendioxid 24 wieder der ersten Stufe 61a der Anlage 6 zugeführt, so dass sich ein geschlossener Stoffkreislauf für das Kohlendioxid ergibt. Es kann ein Zwischenspeicher 82 für das kohlendioxidhaltige Abgas 24 vorgesehen sein. So ist es möglich, dass mit dem oben genannten Verfahren aus kohlenstoffhaltigen Substanzen und Kohlendioxid flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffe und Kohlenwasserstoffderivate erzeugt werden, und das so resultierende Treibstoffgemisch anschliessend in einer erfindungsgemässen Vorrichtung 1 in mechanische Arbeit und/oder elektrische oder thermische Energie umgesetzt wird. Das aufgefangene und gespeicherte Kohlendioxid wird rückgeführt und teilweise oder vollständig in der Anlage 6 wieder in Betriebstoff 20 umgesetzt. Auf diese Weise kann der effektive Kohlendioxidausstoss einer erfindungsgemässen Vorrichtung sehr stark vermindert oder gar ganz vermieden werden.
  • Alternativ oder zusätzlich zur Rückführung kann ein Teil des gespeicherten Kohlendioxids auch in einer Art und Weise deponiert werden, dass es dauerhaft nicht in die Atmosphäre gelangen kann. Entsprechende Technologien zur dauerhaften langfristigen Lagerung von Kohlendioxid werden momentan weltweit weiterentwickelt. Getestet wird beispielsweise die Endlagerung von Kohlendioxid durch Einpumpen in leere Erdöl- und Erdgasfelder.
  • Eine weitere, generalisierte Variante einer erfindungsgemässen Vorrichtung 1 zur Durchführung des offenbarten, nicht erfindungsgemässen Verfahrens ist schematisch in Figur 2 dargestellt. Eine solche erfindungsgemässe Verbrennungskraftmaschine 1 kann problemlos im Kombibetrieb mit Wasserstoff 25 als weiterem Betriebsstoff betrieben werden. In einem solchen Fall führt der Wasserstoffanteil zu einer Reduktion der anfallenden Restgasmenge nach dem Wärmetauscher und Verdichter, da bei der Oxidation von Wasserstoff mit Sauerstoff ohnehin nur Wasser anfällt.
  • Ist eine erfindungsgemässe Vorrichtung 1 als Verbrennungskraftmaschine ausgelegt, so kann in einer vorteilhaften Variante einer solchen erfindungsgemässen Vorrichtung beziehungsweise eines solchen Verfahrens als zusätzliches Expansionsmittel Wasser 23 verwendet werden. Zu diesem Zweck wird nach der Zündung des Verbrennungsvorgangs, beispielsweise nach der Selbstzündung des verdichteten Treibstoff-Luft-Gemischs in einem Dieselmotor, eine bestimmte Menge Wasser in den Zylinder eingespritzt. Dieses Wasser, das vorzugsweise fein zerstäubt ist, wird anschliessend durch die Wärmeenergie der exothermen Oxidationsreaktion verdampft. Der daraus resultierende Gasdruck- bzw. Gasvolumenzuwachs aufgrund des Wasserdampfs trägt so zur Erzeugung der kinetischen Energie bei, wobei gleichzeitig die Temperatur des Gesamtgemischs an Verbrennungsabgasen und Wasserdampf sinkt. Dies ist jedoch unproblematisch oder sogar wünschenswert, weil aufgrund der höheren Energiedichte einer Reaktion mit reinem Sauerstoff wesentlich höhere Reaktionstemperaturen entstehen, was die thermodynamische Effizienz verbessert, aber auch die Teile einer erfindungsgemässen Vorrichtung 1 stärker belasten kann.
  • Alternativ kann das Wasser auch als Dampf eingebracht werden. Ein gewisser Anteil an flüssigem Wasser kann zudem auch mit dem flüssigen Treibstoff vermischt zugeführt werden. Bei hohen Reaktionstemperaturen wirkt überhitzter Wasserdampf als zusätzliches Oxidationsmittel neben dem Sauerstoff.
  • Nachfolgend wird die Funktionsweise eines offenbarten, nicht erfindungsgemässen Verfahrens am Beispiel einer erfindungsgemässen Antriebsvorrichtung 1 in Form eines Kolbenmotors genauer beschrieben und erläutert. Analog können als Verbrennungskraftmaschinen ausgestaltete erfindungsgemässe Vorrichtungen jedoch beispielsweise auch als Turbinen oder WankelMotoren ausgestaltet sein, etc.. Die heissen Abgase werden entsprechend dem Funktionsprinzip des jeweiligen Typs einer Verbrennungskraftmaschine für die Leistung mechanischer Arbeit verwendet, und werden dabei teilweise entspannt. Anschliessend verlässt das Gasgemisch die Brennkammer. So wird beispielsweise bei einer als Viertakt-Kolbenmotor ausgestalteten erfindungsgemässen Verbrennungskraftmaschine beim dritten Takt das Abgasgemisch aus dem Zylinder ausgestossen, und anschliessend verdichtet, abgekühlt und zwischengespeichert.
  • Eine mögliche Ausführungsform einer als Verbrennungskraftmaschine ausgestalteten erfindungsgemässen Vorrichtung 1 zur Durchführung des offenbarten, nicht erfindungsgemässen Verfahrens ist schematisch in Figur 3 dargestellt, am Beispiel eines Kolbenmotors mit einem Zylinder. Die dargestellte Verbrennungskraftmaschine 1 weist einen Zylinder 111 und einen darin beweglich angeordneten Kolben 112 auf, welche zusammen eine geschlossene Brennkammer 11 bilden. Mit einer lediglich schematisch dargestellten Zufuhrvorrichtung 16 wird in einem ersten Takt Sauerstoff 22 in die expandierende Brennkammer 11 eingebracht. Anschliessend wird in einem zweiten Takt der Sauerstoff 22 komprimiert, und am Ende des zweiten Takts mit einer Zufuhrvorrichtung 18 der Treibstoff 20 in die Brennkammer 11 eingebracht und verbrannt. Beim darauffolgenden dritten Takt verrichten die expandierenden Abgase 21 mechanische Arbeit, und beim vierten Takt werden die teilweise entspannten Abgase 21 durch eine nicht näher dargestellte Austrittsvorrichtung 12 aus der Brennkammer 11 abgeführt.
  • Die heissen Abgase 21, die im Wesentlichen nur aus Kohlendioxid und Wasserdampf bestehen, werden anschliessend in einem nachgeschalteten Wärmetauscher 13 abgekühlt. Dadurch wird das Volumen dieser Abgase 21 reduziert. Durch die Abkühlung kondensiert ein Teil des Wassers 23 aus, und wird abgetrennt. Das Restgas, das im wesentlichen nur noch aus Kohlendioxid 24 und gegebenenfalls Restanteilen Kohlenmonoxid und unreagierten Betriebsstoffen besteht, wird in einem in Serie angeordneten Verdichter 14 komprimiert, und in einen Speicher 15, im einfachsten Fall einen Druckbehälter, gepumpt. Die Kondensationsstufe 13 vor der Verdichtung 14 verringert die unerwünschte Bildung von Kondenswassertröpfchen im Verdichter 14.
  • Die dargestellte erfindungsgemässe Verbrennungskraftmaschine 1 weist keine Emissionen auf. Da die Vorrichtung nicht mit Luft oder ähnlichen Gemischen betrieben wird, können auch keine luftspezifischen Schadstoffe wie beispielsweise Stickoxide entstehen. Das bei der Verbrennung entstehende Wasser ist unproblematisch, und kann abgetrennt werden. Das Kohlendioxid und andere Restgase werden im Speicher 15 aufgefangen und zur weiteren Verwendung gespeichert. Unverbrannte Anteile des Betriebsstoffes kondensieren entweder zusammen mit dem Wasser aus und werden abgetrennt, oder werden zusammen mit den Kohlendioxid verdichtet.
  • In den Betriebsstoffen für eine erfindungsgemässe Vorrichtung können je nach Qualitätsgrad neben den Grundbausteinen C, H, O auch Schwefel und Phosphor vorhanden sein. Der Schwefel kann beispielsweise bei der bei der Verbrennung zu Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid reagieren, was wiederum mit dem Wasser zu schwefliger Säure und Schwefelsäure reagiert. Diese korrosiven Schadstoffe können zusammen mit dem Wasser auskondensiert, abgetrennt und entsorgt werden. Das gleiche gilt für phosphorhaltige Schadstoffe und gegebenenfalls entstehende Feinstaubpartikel.
  • Eine weitere mögliche Ausführungsform einer als Verbrennungskraftmaschine ausgestalteten erfindungsgemässen Vorrichtung 1 zur Durchführung des offenbarten, nicht erfindungsgemässen Verfahrens ist schematisch in Figur 4 dargestellt. In dieser Variante wird durch eine lediglich schematisch dargestellte Zufuhrvorrichtung 17 Wasser in die Brennkammer 11 eingebracht. Dies geschieht vorzugsweise so, dass während oder nach der Verbrennungsreaktion eine bestimmte Menge Wasser 23, flüssig oder dampfförmig, in die Brennkammer eingespritzt und fein verteilt wird. Dieses Wasser wird durch die Verbrennungswärme erhitzt, wodurch das gesamte Gasvolumen in der Brennkammer 11 steigt, und damit auch der für die Leistung der mechanischen Arbeit zur Verfügung stehende Gasdruck bzw. Gasvolumen. Entsprechend kann dann bei gleichbleibender Leistung die Menge an Treibstoff gesenkt werden.
  • Alternativ oder zusätzlich kann Wasser auch in den Abgasstrom 21 eingebracht werden, wenn dieser die Brennkammer 11 verlassen hat. Eine solche Variante hat den Vorteil, dass die Verbrennungsreaktion in der Brennkammer bei möglichst hohen Temperaturen effizient verlaufen kann, und gleichzeitig die resultierende Temperatur des Abgasstromes so niedrig ist, dass die nachfolgenden Einrichtungen 14, 13 nicht zu sehr belastet werden.
  • Die Menge an Wasser und der Zeitpunkt des Einspritzens werden so mit der Zufuhr von Betriebsstoff 21 und Sauerstoff 22 abgestimmt, dass die Verbrennungsreaktion effizient stattfinden kann. Vorteilhaft liegt die resultierende Temperatur während der Oxidationsreaktion im Wesentlichen so, dass ein möglichst hoher thermodynamischer Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine erreicht wird. Je grösser die Menge an verwendetem Wasser ist, desto geringer ist zudem der relative Anteil an Kohlendioxid in den Reaktionsgasen, was die nach der Auskondensation des Wassers verbleibende zu komprimierende Gasmenge reduziert.
  • In der in Figur 4 dargestellten Vorrichtung 1 werden die Abgase 21 zuerst in einem Verdichter 14 komprimiert, bevor sie anschliessend im Wärmetauscher 13 abgekühlt werden. Das Wasser 23 verbleibt im Gasgemisch 21, und sammelt sich in flüssiger Form im Druckbehälter 15. Bei der regelmässigen Entleerung des Kohlendioxids 24 kann dann gleichzeitig auch das Wasser 23 abgelassen werden. Die in Figur 4 gezeigte Variante ist auch mit der Verbrennungskraftmaschine 1 ohne Wassereinspritzung aus Figur 3 kombinierbar, und umgekehrt, und kann allgemein für eine erfindungsgemässe Vorrichtung 1 verwendet werden. Die für den Betrieb des Verdichters einer erfindungsgemässen Vorrichtung 1 notwendige Energie wird vorteilhaft durch die Vorrichtung selber erzeugt. Als Folge davon sinkt der erreichbare Wirkungsgrad der Vorrichtung. Jedoch wird damit gleichzeitig die Emissionsfreiheit der genannten erfindungsgemässen Vorrichtung und des offenbarten, nicht erfindungsgemässen Verfahrens erreicht. Zudem ist die erreichbare Leistung bei gleicher Motorendimensionierung grösser, was den Leistungsverlust wieder ausgleicht.
  • Der Verdichter kann beispielsweise über ein geeignetes Getriebe direkt mit der Kurbelwelle einer Kolben-Verbrennungskraftmaschine betrieben werden. Ist die erfindungsgemässe Vorrichtung 1 als Turbine ausgestaltet, so kann der Verdichter direkt auf der gleichen Welle sitzen. Die Abgase können dann direkt anschliessend an den Expansionsvorgang kondensiert und der verbleibende Reststrom verdichtet werden.
  • In einer anderen Variante einer als Kolbenmotor ausgestalteten erfindungsgemässen Vorrichtung werden die Abgase innerhalb der Brennkammer beim dritten Takt bereits vorkomprimiert, und dann durch die Austrittsvorrichtung 12 abgelassen. Gegebenenfalls kann der nachgeschaltete Verdichter 14 auch weggelassen werden.
  • Eine solche Ausführungsform ist auch als Zweitakt-Variante möglich, weil die neue Beladung der Brennkammer mit Reaktionsgemisch (Treibstoff 20, Sauerstoff 22, Wasser 23) in einer erfindungsgemässen Vorrichtung sehr schnell erfolgen kann. In einem zweiten Aufwärtstakt werden die Abgase vorkomprimiert, und gegen Ende des Takts aus der Brennkammer abgelassen. Der gasförmige Sauerstoff kann unter hohem Druck am Ende des Aufwärtstakts in die Brennkammer eingeblasen werden, da für eine vollständige Verbrennungsreaktion vergleichsweise wenig Sauerstoff benötigt wird, und Wasser als zusätzliches Expansionsmittel vorhanden ist. Der flüssige Treibstoff 20 und das Wasser 23 als Expansionsmittel können ohnehin sehr schnell und unter hohem Druck in die Brennkammer eingespritzt werden.
  • Der Energieverbrauch für den Verdichter kann optimiert werden durch eine geeignete Kombination mit einem oder mehreren Wärmetauschern beziehungsweise Kühlelementen, in denen durch Abgabe von Wärmeenergie der Reaktionsgase an eine interne oder externe Wärmesenke das Gasvolumen reduziert werden kann.
  • Ebenfalls ist es möglich, eine erfindungsgemässe Vorrichtung 1 als Wärmekraftmaschine mit äusserer Verbrennung zu realisieren beispielsweise als Dampfmaschine bzw. Dampfturbine oder als Sterling-Motor.
  • Figur 4A zeigt eine andere vorteilhafte Ausführungsvariante einer erfindungsgemässen Antriebsvorrichtung 1, die als kombinierte Gas-/Dampfturbine ausgestaltet ist. Eine solche Antriebsvorrichtung ist besonders geeignet für Schiffe oder Kraftwerksanlagen.
  • In einer der Turbine vorgeschalteten Brennkammer 710 wird Betriebstoff 20 mit Sauerstoff 22 in einem Brenner 714 verbrannt, unter Bildung eines sehr heissen Abgases. In die Brennkammer 710 wird Wasser 23' eingebracht, vorzugsweise als überhitztes flüssiges Wasser mit einer Temperatur von beispielsweise 250 °C und einem Druck von 50 bar. Der resultierende Wasserdampf vermischt sich mit den Verbrennungsabgasen, so dass ein heisses (z.B. 600°C) Abgas 21' mit einem hohen Anteil an überhitztem Wasserdampf entsteht. Die genannten Abgase treten aus der Brennkammer 710 aus und werden in einer nachfolgenden Turbinenvorrichtung 719 in mechanische Arbeit 78 umgesetzt, mit welcher wiederum eine elektrische Generatoreinrichtung 74 angetrieben wird. Je nach Ausgestaltung der Vorrichtung verhält sich das Gasgemisch in der Brennkammer isochor, so dass der Gasdruck steigt, oder isobar, so dass das Gasvolumen entsprechend ansteigt, oder sowohl das Volumen als auch der Druck steigen an. Entsprechend muss auch die nachfolgende Turbinenvorrichtung 719 ausgestaltet werden. Geeignete Turbinen 719 sind aus dem Stand der Technik bekannt, und verfügen meist über mehrere Stufen. In einer alternativen Variante kann nach einer Hochdruckstufe der Turbinenvorrichtung 719 teilentspannter Prozessdampf 77 abgezogen und anderweitig verwendet werden.
  • Das entspannte Abgas 21 " wird in einen Kondensator/Economizer 73 geleitet, wo das Wasser 23 auskondensiert und abgetrennt wird. Das verbleibende Restgas 24, welches im wesentlichen Kohlendioxid enthält, wird in einem Verdichter 72 komprimiert. Anschliessend wird es entweder in einem Gasspeicher 15 zwischengespeichert, oder direkt in die erste Stufe einer Verwertungsanlage 6 gefördert. Der Verdichter 72 wird vorteilhaft direkt über die Turbine 719 angetrieben.
  • Anstatt in die Brennkammer 710 kann das Wasser 23' auch erst anschliessend an die Brennkammer 710 mit dem Abgasstrom 21' gemischt werden, beispielsweise mittels einer Venturidüse.
  • In der Antriebsvorrichtung 71 werden die Menge Wasser 23' und die Menge an Brenngemisch 20, 22 und die weiteren wählbaren Parameter vorteilhaft so aufeinander abgestimmt, dass die nachfolgende Turbine eine möglichst hohe Energieausnutzung erreicht. Gleichzeitig soll der Anteil Wasser am Abgasgemisch 21' möglichst hoch sein. Zum einen wird so ein möglichst hoher Druckabfall des Gasgemischs auf dem Kondensator 73 erreicht. Dies erhöht die totale Druckdifferenz über die Turbine 719, und somit deren Effizienz. Zum anderen verbleibt weniger Restgas 24, das verdichtet 72 und gespeichert 15 werden muss.
  • Ein weiterer Vorteil des Einbringens von Wasserdampf in die Brennkammer ist der kühlende Effekt des Dampfs. Die exotherme Oxidation des sehr energiereichen Brennstoffgemischs kann zu sehr hohen Temperaturen führen, von bis zu 1000 °C oder gar 2000 °C. Solche Temperaturen würden die Strukturen der Brennkammer 710 und der nachfolgenden Turbinenvorrichtung 719 sehr stark belasten. Der vergleichsweise kalte Wasserdampf wird vorzugsweise so in die Kammer eingebracht, dass er die Wände der Brennkammer 710 von der sehr heissen Flamme 715 abschirmt. Der Dampf kühlt schliesslich das gesamte Gasgemisch auf 600 °C bis 800°C ab, was die die thermische Belastung der Turbinenblätter senkt und deren Lebensdauer erhöht.
  • Zusätzlich zu den bereits erwähnten Aspekten unterscheidet sich die dargestellte Antriebsvorrichtung 1 von einer herkömmlichen Gasturbine auch dadurch, dass der Brennkammer kein Verdichter vorgeschaltet ist. Dies erlaubt eine einfachere Gestaltung der Brennkammer 710 als bei einer Gasturbine. Da die Betriebsstoffe 20 mit reinem Sauerstoff 22 verbrannt werden, ist die erreichbare Energiedichte höher als mit Luft mit ihrem reduzierten Sauerstoffanteil. Um die Menge an pro Zeiteinheit in die Brennkammer 710 einbringbarem Sauerstoff zu erhöhen, kann der Sauerstoff unter Druck gesetzt werden. Dir Turbinenvorrichtung 719 kann wie eine Dampfturbine gestaltet sein, da die Temperatur- und Druckbereiche des Abgases 21' im Wesentlichen dieselben sind.
  • Ein Fahrzeug 3 angetrieben durch eine erfindungsgemässe Vorrichtung 1 ist in Figur 5 schematisch dargestellt, als Beispiel für eine erfindungsgemässe mobile Maschine 3. Eine als Verbrennungskraftmaschine ausgestaltete erfindungsgemässe Vorrichtung 1 wird entweder direkt als Antriebsaggregat eingesetzt, oder wird alternativ konstant bei einem idealen Drehzahlbereich betrieben, wobei mit einem Generator Strom für ein elektrisches Antriebsaggregat erzeugt wird. Ist die erfindungsgemässe Vorrichtung 1 als Brennstoffzellensystem ausgestaltet, dient ebenfalls ein Elektromotor als Antriebsaggregat.
  • Das Fahrzeug 3 weist einen Tank 31 für den flüssigen oder gasförmigen Treibstoff 20 auf, sowie einen Drucktank 32 für den Sauerstoff 22. Der Gasspeicher für das Kohlendioxid wird vorteilhaft als Drucktank ausgestaltet. Eine erfindungsgemässe Vorrichtung 1 ist besonders für weniger gewichtssensitive Fahrzeuge geeignet, wie beispielsweise Land- und Wasserfahrzeuge, insbesondere Fahrzeuge im Stadtverkehr oder Schiffe und grössere Boote. Je nach Grösse des Fahrzeugs ist es auch möglich, den Sauerstoff vor Ort herzustellen, wodurch der Drucktank 32 lediglich als Zwischenspeicher dient und entsprechend kleiner ausgelegt werden kann.
  • Nicht gezeigt in Figur 5 ist ein möglicher Vorratsbehälter für das Wasser 23. Ein solcher kann jedoch vergleichsweise klein ausgestaltet werden. Das bei der Nachbehandlung der Abgase anfallende kondensierte Wasser kann wiederverwertet werden, wodurch der effektive Wasserverbrauch und damit die Grösse des notwendigen Vorratsbehälters noch kleiner wird.
  • Ebenfalls in Figur 5 dargestellt ist eine mögliche Ausgestaltung eines geschlossenen Kreislaufs für die Betriebstoffversorgung eines solchen erfindungsgemässen Fahrzeugs 3. Das Fahrzeug 3 wird dazu an einer entsprechend eingerichteten Betankungsanlage 41 mit flüssigem oder gasförmigem Treibstoff 20 beladen, sowie mit komprimiertem Sauerstoff 22. Gleichzeitig wird das im Gasspeicher 15 aufgefangene Kohlendioxid 24 in einen entsprechenden Gasspeicher der Betankungsanlage 41 abgeführt.
  • In einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung wird die bei der Oxidationsreaktion entstehende thermische Energie nicht in mechanische Arbeit umgesetzt, sondern zur Erwärmung eines fluiden Wärmetransportmediums genutzt. Das heisst, dass die Vorrichtung zur Erzeugung von thermischer Energie dient. Als Wärmetransportmedium, dass den Transport der erzeugten thermischen Energie dient, kann beispielsweise Wasser, Öl, Luft oder Dampf benutzt werden.
  • In einer möglichen Variante einer solchen erfindungsgemässen Vorrichtung findet die Energie erzeugende Oxidationsreaktion in einer geeignet ausgestalteten Brennkammer statt, welche mit Mitteln zur Erwärmung des Transportmediums ausgestattet ist, beispielsweise einem Wärmetauscher. Diese Mittel dienen auch dem Abkühlen des entstehenden Abgasstromes.
  • Das erhitzte Wärmetransportmedium kann anschliessend in industriellen Anlagen genutzt werden, oder zum Heizen von Gebäuden. Beispielsweise kann eine Fernheizzentrale bzw. ein Blockheizkraftwerk mit einer solchen erfindungsgemässen Vorrichtung ausgestattet werden. Die Betankungsanlage 41 bildet mit einer Treibstoffproduktionsanlage 6, wie sie in der internationalen Anmeldung Nr. PCT/EP2010/067847 ( WO 2011/061299 A2 ) des Anmelders offenbart ist, einen geschlossenen Kreislauf. Die Anlage 6 produziert aus kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien 27 flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoff-Treibstoffe 20. Diese werden mit geeigneten Mitteln zur Betankungsanlage 41 transportiert. Das Kohlendioxid 24 wiederum, gegebenenfalls mit Anteilen an Kohlenmonoxid und unreagiertem Treibstoff, das vom Fahrzeug 3 in die Betankungsanlage 41 abgeführt worden ist, wird über geeignete Mittel zur Anlage 6 transportiert, wo es in den geschlossenen Kreislauf der Anlage 6 eingespeist wird.
  • Besonders geeignet ist eine Betankungsanlage 41 beispielsweise für öffentliche Busbetriebe einer Stadt. In der Regel werden deren Busse ausschliesslich in den betriebseigenen Betankungsanlagen betankt. Mit einer vergleichsweise geringen Anzahl umzurüstenden Betankungsanlagen 41 können also viele Fahrzeuge 3 erreicht werden. Dies führt zu tieferen Investitionskosten in eine entsprechende Gesamtanlage.
  • In räumlich klar definierten Gebieten, beispielsweise einer Stadt, können die Rückführung des Kohlendioxids und/oder die Versorgung mit Treibstoff auch über ein geeignetes Versorgungsnetz 5 erfolgen. Bei einem offenbarten, nicht erfindungsgemässen Verfahren zur Versorgung eines oder mehrerer Abnehmer mit gasförmigen und/oder flüssigen Betriebstoffen für dieses Verfahren, werden die Abnehmer mit einem ersten Versorgungsnetz mit gasförmigen und/oder flüssigen Betriebstoffen aus einer oder mehreren Produktionsanlagen und/oder aus einem oder mehreren ersten Speichern versorgt. Mit einem zweiten Rückführungsnetz werden mindestens ein Teil der beim Antriebsverfahren anfallenden Abgase, insbesondere Kohlendioxid, von den Abnehmern zu einer oder mehreren Produktionsanlagen und/oder zu einem oder mehreren zweiten Speichern zurückgeführt.
  • Figur 6 zeigt eine mögliche Ausgestaltung eines solchen Versorgungsnetzes zur Durchführung eines offenbarten, nicht lerfindungsgemässen Versorgungsverfahrens. Im gezeigten Beispiel verfügt das System über zwei ringförmige Netze. In ein erstes Versorgungsnetz 51 wird von einer Produktionsanlage 6 mit geschlossenem Kreislauf gasförmiger oder flüssiger Treibstoff 20 eingespeist. Aus diesem Netz 51 beziehen verschiedene Betankungsanlagen 41 die gasförmigen Treibstoffe. Ebenfalls an das Netz 51 angeschlossen ist ein erster Zwischenspeicher 81 und ein Stromkraftwerk 43, in welchem mittels einer erfindungsgemässen Vorrichtung wie beispielsweise in Figur 4A dargestellt ein Stromgenerator betrieben wird.
  • Zusätzlich ist ein zweites Rückführungsnetz 52 vorhanden, in welches die Betankungsanlagen 41 und das Strom kraftwerk 43 das anfallende Kohlendioxid 24 einspeisen. Dieses wird wiederum in die Produktionsanlage 6 zurückgefördert. Ein zweiter Zwischenspeicher 82 dient der Erhöhung der Kapazität des zweiten Netzes. Zusätzlich ist in der gezeigten Variante auch ein Endlager 44 für Kohlendioxid vorgesehen. Kohlendioxid kann aus dem zweiten Netz abgezweigt und unter Druck in ein ausgeschöpftes Erdöllager gepumpt werden, wo es dann dauerhaft verbleibt.
  • Wird eine erfindungsgemässe Vorrichtung direkt an ein solches offenbartes, nicht erfindungsgemässes Versorgungssystem 5 angeschlossen, so kann auf einen Betriebsstofftank 31 und/oder Gasspeicher 15 für das Kohlendioxid ganz verzichtet werden, da das feste Leitungssystem diese Funktion übernimmt. Dies ist beispielsweise bei der Stromproduktionsanlage 43 in Figur 6 der Fall.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vorrichtung
    11
    Brennkammer
    111
    Zylinder
    112
    Kolben
    12
    Austrittsvorrichtung, Entlüftungsvorrichtung
    13
    Wärmetauscher
    14
    Vorrichtung zur Verdichtung, Verdichter
    15
    Gasspeicher
    16
    Zufuhrvorrichtung für Sauerstoff
    17
    Zufuhrvorrichtung für Wasser
    18
    Zufuhrvorrichtung für Treibstoff
    20
    Betriebsstoff, Treibstoff
    21, 21', 21"
    Reaktionsprodukte, Produktgas, Verbrennungsgas, Abgas
    22
    Sauerstoff
    23, 23'
    Wasser
    24
    Kohlendioxid
    25
    Wasserstoff
    27
    kohlenstoffhaltige Ausgangsstoffe
    3
    Fahrzeug, mobile oder stationäre Maschine
    31
    Treibstofftank
    32
    Sauerstofftank
    41
    Betankungsanlage
    43
    Anlage zur Stromproduktion
    44
    Endlager für Kohlendioxid
    5
    Versorgungssystem
    51
    Versorgungsnetz Treibstoff
    52
    Rückführungsnetz Kohlendioxid
    6
    Anlage zur thermisch-chemischen Verwertung von kohlenstoffhaltigen Substanzen
    61a
    Erste Stufe zur Erzeugung von Synthesegasgemisch
    61b
    Zweite Stufe zur Erzeugung von Synthesegasgemisch
    62
    Dritte Stufe zur Erzeugung von Kohlenwasserstoffderivaten und anderen Wertsstoffen
    63
    Pyrolysekoks
    64
    Pyrolysegas
    65
    Synthesegasgemisch
    66
    Rücklaufgase mit Kohlendioxid
    71
    Vorrichtung
    710
    Brennkammer
    711
    Zylinder
    712
    Kolben
    713
    Austrittsvorrichtung, Entlüftungsvorrichtung
    714
    Brenner
    715
    Flamme
    716
    Zufuhrvorrichtung für Sauerstoff
    717
    Zufuhrvorrichtung für Wasser
    718
    Zufuhrvorrichtung für Betriebsstoff
    719
    Turbine
    72
    Verdichter
    73
    Kondensator/Economizer
    74
    Generatorvorrichtung
    75
    externer Kühlkreislauf
    76
    elektrische Energie
    77
    Prozessdampf
    78
    mechanische Energie
    81
    Erster Speicher, Speicher für Betriebsstoffe
    82
    Zweiter Speicher, Speicher für Abgase

Claims (6)

  1. Vorrichtung (1) zur Verrichtung mechanischer Arbeit, wobei die Vorrichtung (1) die zum Betrieb notwendige Energie aus der Oxidation von kohlenstoffhaltigen Betriebsstoffen (20) zu einem Abgas (21) im wesentlichen bestehend aus Kohlendioxid (24) und Wasser (23) bezieht, mit einer Vorrichtung (14) zur Verdichtung und/oder Kondensation des Abgases (21) und einen Speicher (15) zur Aufnahme des verdichteten und/oder kondensierten Abgases (21), wobei die Vorrichtung eine Verbrennungskraftmaschine ist, beispielsweise ein Kolbenmotor oder eine Turbine, mit mindestens einer Brennkammer (11) zur Verbrennung von Betriebsstoff (20) mit sauerstoffangereicherter Luft oder reinem Sauerstoff (22), mit Mitteln zur Umsetzung des entstehenden Gasdrucks bzw. Gasvolumens in mechanische Arbeit, mit einer ersten Zufuhrvorrichtung (16) zum Einbringen von Sauerstoff (22) in die Brennkammer, mit einer zweiten Zufuhrvorrichtung (17) zum Einbringen von Wasser (25) direkt in die mindestens eine Verbrennungskammer, mit einer Austrittsvorrichtung (12) zur Entfernung der Abgase (21) aus der Brennkammer (11), einem Verdichter (14) zur Verdichtung der Abgase (21), und einer Kondensationsvorrichtung zur teilweisen Kondensation der Abgase (21), wobei der Verdichter und die Kondensationsvorrichtung stromabwärts zur Austrittsvorrichtung (12) angeordnet sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) mit sauerstoffangereicherter Luft, vorzugsweise mit einem Sauerstoffanteil von > 95%, und/oder mit reinem Sauerstoff als Oxidationsmittel betreibbar ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Wärmetauscher (13) zur Abkühlung des Abgasstromes (21) vor und/oder nach der Vorrichtung (14) zur Verdichtung und/oder Kondensation des Abgases (21).
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Kondensation und/oder Abscheidung von Wasser (23) aus dem Abgas (21).
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Zufuhrvorrichtung (17) zum Einbringen von Wasser (23) in den Abgasstrom (21) nach dem Austritt aus der Brennkammer (11).
  6. Maschine (3), insbesondere eine mobile oder stationäre Maschine, mit einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
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